具体实施方式

本文档描述了可以包括信号采集或调节放大器的主题，该信号采集或调节放大器可以被配置和控制为使用差分输入信号的相关双倍采样(CDS)，以及电容性或其他反馈网络中的存储电容器，能够在CDS采样之间断电的低功率运算跨导放大器(OTA)，并且可以在提供良好性能特征的同时仍提供低功耗或高效功耗的方式进行操作。放大器和其他信号处理电路可以在需要较少信号测量吞吐量的情况下按比例缩小功率，在需要更多信号测量吞吐量的情况下按比例放大功率。这种灵活性可以帮助使本方法对于广泛的信号采集和测量应用有用。

图1A示出了信号采集电路100的示例，例如用于对具有分量Vx和Vy的差分输入信号执行相关双采样(CDS)，例如用于低功率信号处理。图1B示出了说明图1A所示的信号采集电路100的各个组件的操作的时序图。在图1A中，信号采集电路100可以包括放大器102电路，诸如用于分别在差分信号输入节点104A-B处具有分量Vx和Vy的模拟差分输入信号的信号采集或调节。在图1A的示例中，放大器102可以包括运算跨导放大器(OTA)，其可以放大在第一(例如，非反相)放大器输入106A和第二(例如，反相)放大器输入106B之间转换成可以使用OTA的跨导增益(Gm)在放大器输出108处提供的电流的电压。放大器输出端108上提供的电流可用于对电容性负载进行充电或放电，以在放大器输出端108上提供最终的电压信号，该电压信号可以通过逐次逼近例程(SAR)或其他模数转换器(ADC)110转换为ADC输出112处的采样数字输出值。差分输入信号的各个分量Vx和Vy可以在ADC输出112处连续转换为CDS对采样数字输出值。通过在形成CDS对采样实例的ADC输出112上获取这两个采样数字输出值之间的差，可以使用CDS采样实例提供差分数字输出信号(对应于差分模拟输入信号的Vx和Vy分量之间的差)。ADC 110可以断电，例如在连续的CDS采样实例之间断电。ADC 100可以包括或耦合到电压参考电路，以提供在A2D转换期间的比较中使用的电压，其中电压参考电路可以被配置为还被断电，例如在连续的CDS采样实例之间，例如Coln等人于2018年5月2日提交的题为POWER-CYCLING VOLTAGE REFERENCE的美国专利申请No.15/969,175，通过引用整体并入本文，包括其适用于断电的参考电压的描述。

如果相对于关于图1A，1B示出和描述的CDS采样的快速连续的一对采样，所获取的信号足够慢，则在CDS采样的两个采样期间将存在几乎相同的差分信号分量Vx和Vy，因此，信号采集仍可以视为“差分”，并且即使可以使用此类替代术语，本文也不会引入诸如“准差分”或“伪差分”之类的术语来使这一点变得复杂。

由OTA放大器102驱动的电容性负载可以包括存储电容器Ci，诸如可以由OTA放大器102经由围绕OTA放大器102的反馈网络来驱动和充电或放电。在图1A所示的示例中，反馈网络是电容性反馈网络，例如可以包括位于放大器输出108和第二放大器输入106B之间的反馈电容器Cf。存储电容器Ci可以耦合到反馈网络，例如通过耦合在第二放大器输入106B与接地或参考节点113之间。反馈网络可以用于在OTA放大器102周围建立闭环增益。在图1A所示的示例中，闭环电压增益可以显示为(Ci/Cf+1)，如公式1所示。

(Vy–Vx)＝(V_ADC2–V_ADC1)/(Ci/Cf+1) 等式1

与OTA放大器102结合使用电容性反馈网络会有所帮助，因为OTA放大器102驱动电容性负载，在将电容性负载充电到OTA放大器输出108处的稳定电压值后，与电阻性负载不同，在OTA放大器输出108处将电容性负载充电至稳定电压值后，不会产生静态电流，电阻性负载即使在放大器输出108达到稳定电压值后仍会继续汲取静态电流。使用OTA放大器102结合电容反馈网络的此配置的另一个优点是，可以对OTA放大器102进行“输出补偿”，以使其稳定性是通过放大器输出端108上的负载电容提供的“优势极”(“看到”电容反馈网络的电容以及SAR或其他ADC电路110的电容)来实现的。可以将其与提供电压增益而不是跨导增益的运算放大器(“运算放大器”)进行比较，后者通常需要“内部”补偿电容器(例如，即使它可能包括耦合到运算放大器内部节点的外部电容器(例如，两级运算放大器的第一级和第二级之间)，也可以将其概念化为运算放大器的“内部”)。运算放大器的内部补偿电容器需要较长的导通和关断时间才能稳定，因此与类似地使输出补偿后的运算跨导放大器断电(并使其上电)相比，使运算放大器断电(并例如对CDS采样之间反复发生)更加困难。

对于图1A所示的电容反馈网络，可以包括初始化开关114，以初始化第二放大器输入106B处存储电容器Ci的电压，否则当使用高输入阻抗OTA放大器102时将处于“浮动”状态，例如OTA放大器102的第一和第二输入106A-B中的每一个在OTA放大器的内部连接到场效应晶体管(FET)的电容性栅极端子。初始化开关114可以位于放大器输出108和第二放大器输入106B之间，以便在初始化开关114闭合时将OTA放大器108自动归零，使得当忽略第一和第二放大器输入106A-B之间的偏移电压时，使得放大器输出108和第一和第二放大器输入106A-B有效地理想地偏置到相同电压。实际上，小的非理想偏移电压将出现在第一和第二放大器输入106A-B之间，但是，其影响可以通过本文所述的CDS采样技术来减小或限制。

CDS采样实例可以按以下方式执行。首先，初始化开关E可以闭合以使放大器102自动归零并且初始化存储电容器Ci上的电压。然后，初始化开关E可以被打开，并且在下一次关闭初始化开关E之前或不再次将存储电容器Ci初始化之前，差分信号分量Vx和Vy可以分别例如通过相应的开关B和D连续地耦合到放大器102的第一(例如，同相)输入106A，如图1B的时序图所示，其中“高”信号表示闭合开关。响应于依次向放大器102的第一输入106A施加的每个差分信号分量Vx和Vy，ADC可以对存在于放大器输出108上的电压进行采样的模数(A2D)转换，从而如图1B所示在时间ADC1和ADC2处产生CDS采样的一对采样数字值。CDS采样的一对采样数字值中的各个数字值之间的差异表示存在于差分输入信号节点104A-B之间的差分信号。偏移电压和1/f噪声以及其他噪声(例如ADC 110的RTI噪声)可以通过CDS采样技术和设置来降低或消除。然后，如果需要，可以将OTA放大器102断电，甚至完全关闭，直到需要下一个CDS采样实例。类似地，可以在该非活动时间段内将ADC110断电，直到需要下一个CDS采样实例为止。那时，可以重新上电OTA放大器102、ADC 110或两者，并且可以重新初始化存储电容器Ci，例如在上述情况下，用于在不重新初始化CDS采样实例中的一对采样的各个采样之间的存储电容器Ci的情况下进行另一次CDS采样。

因为可以将OTA放大器102的第一输入106A处的输入电容充电或放电视为进入OTA放大器102的第一输入106A的有效输入电流，所以提供该输入的传感器或其他信号源的某种程度的负载输入节点104A-B处的信号可能存在。某些传感器可能会受到这种有效负载电流的影响，这可能会影响传感器的测量精度。然而，这可以通过包括缓冲放大器116A-B而得到改善，每个缓冲放大器具有耦合到差分信号输入104A-B之一的相应的缓冲放大器输入，并且每个缓冲放大器具有经由开关A和C中的相应一个耦合到放大器102的第一输入106A的相应的缓冲放大器输出。缓冲放大器116A-B可分别用于对第一输入106A进行预充电(由从为缓冲放大器供电的电源汲取的电荷供电，而不是由传感器或其他信号源汲取的电荷供电，而电荷的准确性可能会受到这种有效负载电流的影响)。

例如，如图1A的时序图所示，通过闭合开关A，可以首先将差分信号分量Vx连接到放大器102的第一输入104，以通过缓冲放大器116A对放大器102的第一输入104进行预充电。然后，可以断开开关A，并且可以闭合开关B，以将实际信号分量Vx连接到放大器102的第一输入端104，以进一步建立稳定，绕过缓冲放大器116A，从而产生抗噪声性能或缓冲放大器116A的偏移非理想性的能力。

然后，例如，如图1A的时序图所示，通过闭合开关C，可以首先将差分信号分量Vy连接到放大器102的第一输入104，以通过缓冲放大器116B对放大器102的第一输入104进行预充电。然后，可以断开开关C，并且可以闭合开关D，以将实际信号分量Vy连接到放大器102的第一输入端104，以进一步稳定，绕过缓冲放大器116B，从而产生抗噪声性能或缓冲放大器116B的偏移非理想性的能力。缓冲放大器116A-B可以彼此匹配以改善性能。控制电路118可以被包括在信号采集电路100中或耦合到信号采集电路100，以便提供用于操作所示的开关，ADC 110或两者的控制信号，以控制如图1B的时序图所示的操作。控制电路118可以包括专用数字硬件电路，可编程微控制器电路，或者可以使用各种其他通用或专用电路实现中的一个或多个。控制电路118可以控制多路复用器电路，例如可以包括图1A所示的开关A、B、C或D中的一些或全部。

控制电路118可以被配置和操作以改变差分信号分量Vx和Vy的获取的顺序，诸如在连续的CDS采样之间交替地进行。例如，可以将第一个CDS实例采样对获取为Vx然后Vy，将第二个CDS实例采样对获取为Vy然后Vx，将第三个CDS实例采样对获取为Vx然后Vy，依此类推，类似地交替地为ADC的操作提供信号反转，以保持在ADC输出112处输出的差分数字信号的一致性。

OTA放大器102周围的反馈网络不必是电容性反馈网络。可以提供电阻性反馈或电阻性和电抗性反馈的组合，但是，如图所示的电容性反馈有利地在放大器输出108达到所需值之后不需要持续的静态电流。

诸如本文所示和所述的电路、装置、系统和方法可以帮助提供几个优点。例如，将存储电容器Ci初始化为由差分输入信号的一个分量(例如，Vx)给出的偏置电压可以帮助允许差分信号的放大(Vx和Vy之间的差)而不会使放大器102过载。在一个示例中，本文描述的CDS技术的使用可以帮助抑制信号采集电路100中的偏移和低频噪声，特别是1/f噪声。CDS采样还可以帮助抑制一个可以由差分信号分量Vx近似的共模信号。在示例中，ADC 110可以将两个采样值(分别基于Vx和Vy)转换到数字域中，从而可以使用两个值的简单数字减法来获得差分或相关性。在一个示例中，预充电缓冲器116A-B可以提供将放大器输入电容在Vx和Vy之间移动所需的电荷，以使得传感器或其他输入信号源在其输出端看不到该输入电流负载，而传感器可能对此敏感。所有放大器和ADC都可以有效地循环上电，例如关闭CDS采样实例之间的一个或所有此类组件的电源，这可以根据特定应用的需要频繁或不频繁地进行。

上面的描述包括对附图的参考，这些附图形成了详细描述的一部分。附图通过说明的方式示出了可以实践本发明的特定实施例。这些实施例在本文中也被称为“示例”。除了所示出或描述的元件之外，这样的示例可以包括元件。然而，本发明人还设想了仅提供示出或描述的那些元件的示例。此外，本发明人还设想了使用所示或所描述的那些元素(或其一个或多个方面)的任何组合或排列的示例，关于此处显示或描述的特定示例(或其一个或多个方面)，或其他示例(或其一个或多个方面)。

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本文描述的方法示例可以至少部分是机器或计算机实现的。一些示例可以包括编码有指令的计算机可读介质或机器可读介质，所述指令可操作以配置电子设备以执行如以上示例中所述的方法。这样的方法的实现可以包括代码，例如微代码、汇编语言代码、高级语言代码等。这样的代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。该代码可以构成计算机程序产品的一部分。此外，在示例中，代码可以有形地存储在一个或多个易失性、非暂时性或非易失性有形计算机可读介质上，例如在执行期间或在其他时间。这些有形计算机可读介质的示例可以包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如光盘和数字视频磁盘)、盒式磁带、存储卡或存储棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。

上面的描述旨在是说明性的而非限制性的。例如，上述示例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。在回顾以上描述之后，例如可以由本领域的普通技术人员使用其他实施例。提供摘要以符合37C.F.R.§1.72(b)，以允许读者快速确定技术公开的性质。提交本文档时应理解为不会将其用于解释或限制权利要求的范围或含义。另外，在以上详细描述中，可以将各种特征分组在一起以简化本公开。这不应该被解释为意在意味未声明的公开特征对于任何声明都是必不可少的。相反，发明主题可以在于少于特定公开实施例的所有特征。因此，以下权利要求由此作为示例或实施例并入详细描述中，每个权利要求作为独立的实施例而独立存在，并且可以预期的是，这样的实施例可以以各种组合或置换彼此组合。本发明的范围应参考所附权利要求书以及这些权利要求书所赋予的等效物的全部范围来确定。